Liczenie roślin

Gdy patrzymy na drzewa, kwiaty czy krzewy, możemy mieć błędne wrażenie, że prowadzą mało urozmaicone życie. Na pierwszy rzut oka tkwią w bezruchu. Bez odpowiedniej aparatury nie jesteśmy w stanie zobaczyć buzujących w nich cząsteczek, połączonych, bądź co bądź, matematycznymi zależnościami. Kotłujące się molekuły w komórkach reagują z sobą w odpowiednich proporcjach, wywołują mierzalny efekt, jakim jest tworzenie konkretnej liczby cząsteczek.

Rośliny są autotrofami, co oznacza, że same są w stanie zatroszczyć się o posiłek. Przygotowują go z wody i dwutlenku węgla. Proporcje tych składników są oczywiście znane. Potrzeba sześciu cząsteczek zarówno jednego jak i drugiego związku. Produktem reakcji jest jedna cząsteczka glukozy. Ten znany wszystkim cukier jest głównym pokarmem roślinnym. W trakcie reakcji wydzielany jest także tlen. Jak widać tworzenie glukozy nie jest prostym sumowaniem matematycznym. Jest to proces o wiele bardziej skomplikowany. Aby ta reakcja mogła zajść, nie wystarczające jest połączenie substratów. Nie otrzymalibyśmy cukru, nawet gdyby ich mieszaninę oświetlić światłem, które jest niezbędne do napędzania procesu tworzenia pokarmu. Żeby powstał, potrzeba o wiele więcej – białek i barwników połączonych zależnościami w procesie zwanym fotosyntezą.

Jasna faza fotosyntezy

Aparat fotosyntetyczny schowany jest w liściach, a dokładnie w zielonych owalnych strukturach, które dobrze wyróżniają się wśród innych składników komórkowych. To chloroplasty otoczone podwójną błoną. W ich wnętrzu zwanym stromą znajduje się wiele białek zgrupowanych w cykle. Są też rybosomy, na których tworzone są niektóre cząsteczki chloroplastowe oraz kolisty materiał genetyczny. Wewnętrzna błona tworzy wpuklenia zwane tylakoidami. W ich błonach kryją się między innymi dwa typy dosyć skomplikowanych struktur. Zbudowane są z białek i barwników, z których najważniejszym jest chlorofil – zielony barwnik. Te molekularne budowle to fotosystemy (PS) i wyróżniamy ich dwa typy. Pierwszy (PSI) w swoim centrum zawiera wspomniany barwnik, który najbardziej wrażliwy jest na światło długości 700 nm. Drugi (PSII) z kolei 680 nm. Obie fale leżą w zakresie światła czerwonego.

Te najważniejsze cząsteczki tworzą tak zwane centrum reakcji. Pozostałe barwniki budują otaczającą je antenę, która zbiera światło słoneczne. Jego energia przekazywana jest następnie do chlorofili, gdzie dochodzi do wybicia z nich elektronów, które w przypadku PSI przenoszone są na cząsteczkę NADP+. Powstaje wówczas NADPH – molekuła używana później w procesie tworzenia glukozy. Elektrony z PSII wędrują uzupełnić elektronową lukę, która powstała w fotosystemie pierwszym. Te elementarne cząsteczki przekazywane są nie bezpośrednio ale poprzez szereg przenośników. Dzieje się to bardzo szybko. Przykładowo molekuła, która odebrał elektron z PSII zwana feofityną przekazuje go na akceptor opisywany jako Qa w ciągu 250-500 ps, czyli bilionowych części sekundy.

Podczas przekazywania elektronów z jednego fotosystemu na drugi, produkowane są również cząsteczki ATP – komórkowe nośniki energii, które razem z NADPH wykorzystywane są do tworzenia glukozy. Procesem tym zajmuje się enzym zwany syntazą ATP, który podobnie jak fotosystemy umieszczony jest również w tylakoidach. Ta miniaturowa fabryka jest w zasadzie złożona z dwóch części. Jedna zwana CF0 przechodzi na wylot przez jego błonę tworząc kanał. Druga, CF1, wygląda jak okrągłe pokrętło. Skierowana jest w stronę stromy. To właśnie w tej części znajduje się miejsce tworzenia nośników energii, które zaczyna pracować podczas obrotu tej molekularnej struktury.  Uruchomienie miniaturowej fabryki wymaga wypłynięcia jonów wodorowych, które gromadzą się w tylakoidach w trakcie reakcji związanych z przenoszeniem elektronów. Dzieje się to za pomocą wspominanego kanału. Przyjmuje się, że do stworzenia 1 cząsteczki ATP potrzeba przepływu 3 jonów do stromy, chociaż u liści szpinaku wynosi ona średnio 4,67.

Energia słoneczna, potrzebna jest także do rozłożenia cząsteczki wody w procesie zwanym fotolizą. Właśnie z niej pochodzą elektrony, które wypełniają dziurę w fotosystemie drugim. Przeprowadza ją kompleks cząsteczek, w skład którego wchodzą między innymi 4 atomy manganu. Wydawanie porcji w postaci elektronu koordynuje światło. Ważną kwestią jest, że do zniszczenia 2 cząsteczek wody potrzeba 4 błysków o czasie krótszym niż 5 mikrosekund. Powoduje to uwolnienie nie tylko 4 elektronów, ale także tlenu, którym później oddychamy.

Gdy zapada zmrok

Po fazie jasnej, przychodzi pora na fazę ciemną. Jak sama nazwa wskazuje, nie potrzeba w niej światła. Roślina ma już zgromadzone wszystkie potrzebne elementy i może skupić się na produkcji glukozy. Tworzy ją w cyklu przemian biochemicznych zwanych cyklem Calvina-Bensona, angażując w  to kilka enzymów. W trakcie przekształceń zużywa wcześniej wyprodukowane NADPH i ATP. Do wytworzenia jednej cząsteczki glukozy potrzeba aż 12 i 18 cząsteczek odpowiedniego związku. Nadmiarowa produkcja nie marnuje się. Roślina gromadzi ją w postaci długołańcuchowego cukru złożonego z cegiełek  glukozowych. Zapasy roślina wykorzysta w nocy. Wtedy właśnie rozkłada go ponownie na części. Powstała glukoza używana jest w trakcie oddychania komórkowego, gdzie również produkowany jest ATP. Związek ten potrzebny jest roślinie nie tylko w trakcie fotosyntezy, ale również do wzrostu czy innych procesów życiowych.

Co ciekawe, rośliny wiedzą, jak szybko zużywać swoje zapasy. Wyliczają to z matematyczną precyzją. Efektem skrupulatnej kalkulacji jest wykorzystanie całe zapasu cukru wraz z nadejściem świtu. Mało tego, roślina niespodziewanie wystawiona na dłuższe lub krótsze ciemności potrafi weryfikować swoje obliczenia i dostosować do nowych warunków. Podobnie zresztą ma się z tworzeniem samej skrobi. Jeśli dzień jest krótki, roślina robi to szybciej, jeśli dłuższy, dostosowuje tempo procesu odpowiednio do długości dnia. Jak taka kalkulacja jest ważna, widać to w momencie, gdy zostanie zaburzona przez czynniki genetyczne albo środowiskowe. Wtedy spowalnia wzrost, a nawet wykazuje oznaki głodu.

Proces kalkulacji dotyczącej zużywania materiału zapasowego zbadany został z udziałem Arabidopsis thaliana – niepozornej rośliny, której polska nazwa to rzodkiewnik pospolity. Wiele badań dotyczących roślin opiera się o ten gatunek, który ze względu na wiele korzystnych cech stał się tzw. organizmem modelowym. Mechanizmu co prawda nie udało się poznać do końca, ale wysnuto pewne przypuszczenia. Najprawdopodobniej degradacje skrobi regulują pewne białka. Zakłada się istnienie cząsteczek o lakonicznej nazwie S oraz T. Z ich udziałem roślina może wykonywać arytmetyczne działania, w których stężenie pierwszego z nich informuje o ilości skrobi, a ilość drugiego o czasie trwania nocy. Być może przyłączenie cząsteczki S do ziaren skrobi aktywuje enzymy, które odpowiedzialne są za jej degradację, natomiast cząsteczka T hamuje ten proces poprzez wiązanie się z S. Dzięki takiemu połączeniu białko wspomagające cięcie skrobi być może odrywa się od powierzchni granulek magazynujących zapasy.

Muchołówka liczy do dwóch

W pewnych przypadkach matematyczna natura roślin daje się obserwować w makroskopowych procesach. Dotyczy to pewnych przedstawicieli królestwa, którzy żyją na ubogich glebach i musieli wykształcić mechanizmy rekompensujące niedostatki podłoża. Jednym z takich organizmów jest Muchołówka – niewielka roślina, która należy do rodziny rosiczkowatych. Nie rośnie zbyt wysoko, ale mimo tego skupia uwagę dzięki stosunkowo dużym pułapkom. Są nimi przekształcone liście. Ze względu na swoje rozmiary czasem myli się je z niepozornymi kwiatami. Służą one do łapania owadów, które stają się dla niej źródłem azotu.

Chwytanie ofiary z ich pomocą również oparte jest o precyzyjną matematykę. Muchołówka potrafi zamknąć sidła w ciągu około 1 sekundy. Ich zatrzaśnięcie włączane jest przez dotkniecie włosków, które znajdują się na wewnętrznych stronach przekształconych liści.  Nie dzieje się to za każdym razem. Konieczna jest do tego odpowiednia liczba albo sekwencja trąceń. Pojedyncze dotknięcie włoska nie jest wystarczające. Roślina interpretuje taki sygnał jako spadającą krople wody czy pyłek, który mógł paść na nią wraz z podmuchem wiatru. Owad, który usiadł na pułapce zawsze się krząta wykonując bardziej skomplikowane ruchy. Dlatego też muchołówka musi zostać trącona przynajmniej dwukrotnie w jeden włosek, albo też dwa razy w różny. Dodatkowo nie powinno się to stać w odstępie czasu dłuższym niż około 20 sekund. Po spełnieniu tych konkretnych matematycznych wymogów pułapka zamyka się. Gdy to nastąpi, roślina tworzy enzymy, które trawią schwytanego owada.

Wprowadzenie tak konkretnych reguł jest bardzo istotne. Wynika to nie tylko z faktu, że z każdym ruchem roślina traci energię. Taka pułapka użyteczna jest maksymalnie do 4 razy, po czym usycha i szybko zastępowana jest przez nową. Jej uformowanie też ma swój koszt energetyczny. Dodatkowo otwieranie sideł następuje dość powoli. Stąd nierozmyślne zamykanie byłoby stratą zarówno energii, jak i czasu, w trakcie którego roślina mogłaby zaprzepaścić nadarzające się okazje złapania ofiary.

Matematykę można znaleźć wszędzie. Warto ją zrozumieć również w kontekście procesów dziejących się w roślinach. Poznanie reguł rządzących ich życiem i konkretnych liczb opisujących aspekty fizjologiczne i biochemiczne, być może pomoże kiedyś w walce z głodem. Szukając rozwiązań, żadne badania nie powinny być przekreślane. Nawet jeśli  trudno sobie wyobrazić jak eksperymenty z udziałem muchołówek mogłoby w tym pomóc, nie można zakładać, że w ich fizjologii nie kryje się jakaś tajemnica. Być może jej odkrycie będzie przydatne w inżynierii genetycznej. Już teraz wiemy, że pewne modyfikacje w genach roślinnych skutkują zmianą wyników produkcji biomasy. Dlatego skrupulatne kalkulacje procesów leżących u podstaw odżywiania roślin jest nie tylko zaspokajaniem ciekawości naukowej, ale faktyczną próbą radzenia z realnymi problemami, które dotykają całą ludzkość.

Nauka na żywo II: wielkie debaty – zadanie finansowane w ramach umowy 761/P-DUN/2019 ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę.

Wykład dr. Mariusza Gogóla: